بخشی از مقاله
چکیده:
پوشش برف و میزان آب معادل آن حدود یکسوم آب موردنیاز آبیاری و فعالیتهای کشاورزی را در سرتاسر جهان تأمین میکند اگرچه بخش کوچکی از سطح کره زمین را مناطق کوهستانی در برمی گیرد، اما همین مقدار اندک در چشمانداز هیدرولوژیکی حوزههای آبخیز تأثیر شگرفی دارند. برف یکی از مؤلفههای اصلی سیکل هیدرولوژی در بسیاری از حوزههای آبریز کوهستانی دنیا است.
در این قبیل حوضهها، رواناب برف بخش اصلی جریان رودخانه ها به شمار میرود. پیشبینی رواناب برف به برنامهریزی و مدیریت مؤثرتر و کاراتر منابع آب ازجمله مدیریت مخزن و هشدار سیل کمک میکند. دستیابی به توزیع مکانی عمق برف میبایست از راه مشاهدهای و در مقیاسی فشرده صورت گیرد. لیکن به دلیل محدودیتهای عملی، جمعآوری اطلاعات، به ویژه در مقیاسهای مذکور، دشوار و گاهی غیرممکن می باشد. اما با توجه به مشکلات موجود در مناطق مرتفع، استفاده از روشهای غیرمستقیم توصیه میشود.
در این مقاله با اجرای روشهای پارامتریک - رگرسیون خطی - و همچنین اثر کاهش ویژگیها با مدلهای آنالیز مؤلفه اصلی، الگوریتم پیشرو و الگوریتم بهینهساز جمعیت ذرهها در مدلسازی عمق برف در محیط نرمافزار متلب، کارایی این روشها را جهت مدل سازی دادههای عمق برف در منطقه چلگرد - چهارمحال و بختیاری - سنجیده شد.
به همین منظور ابتدا با استفاده از روش هایپرکیوب محل 100 نقطه مشخص و طی سه روز عملیات صحرایی دادههای عمق برف در نقاط موردنظر و همچنین در 195 نقطه دیگر بهصورت تصادفی و با نمونهبردار مدل فدرال برداشت گردید. سپس با استفاده از مدل رقومی ارتفاع 25 پارامتر ژئومورفومتری استخراج گردید و همراه با 6 باند تصاویر ماهواره لندست 8 و شاخص NDSI بهعنوان ورودیهای مدلها انتخاب گردید.
نتایج حاصل از این پژوهش نشان داد که روشهای پارامتریک در مدلسازی عمق برف ناتوان است و با میزان مجذور میانگین مربعات خطای 271350 رد شد. همچنین اثر کاهش ویژگیها بر روی روش های پارامتریک مشهود بوده و نتایج بدست آمده از روش انتخاب ویژگی پیشرو با میزان مجذور میانگین مربعات خطای 22/17 بهترین نتیجه را داشته است.
1 -مقدمه:
برف یکی از اشکال مهم بارش در چرخه هیدرولوژی مناطق کوهستانی بوده که در تأمین منابع آب آشامیدنی و کشاورزی بهصورت جریانهای تأخیری در فصول پرآبی و جریانهای کمینه در فصول کمآبی و تولید انرژی نقش ارزنده ایفا میکند. از سوی دیگر رواناب حاصل از ذوب برف به دلیل نقش تأخیری آن منبع اصلی تغذیه سفرههای آب زیرزمینی و در برخی از موارد به دلیل همزمانی با بارشهای بهاره منشأ بروز سیلابهای مخرب با حجم جریان بیش از ظرفیت رودخانهها میشود
با توجه به اینکه جمعآوری دادههای دقیق در این مورد نیازمند صرف وقت و هزینه زیادی است بنابراین یکی از راهحلهای موجود در این خصوص، داشتن تعداد محدودی اطلاعات نقطهای و استفاده از روشهای درونیابی برای برآورد عمق برف در نقاطی که فاقد آمار مشاهدهای هستند، میباشد
در اینگونه روشها عمق برف یا بهواسطه رابطهای که با عوامل توپوگرافی دارد و یا با اتکا به ویژگی ساختار تغییرات مکانی، مدل میشود. در حالت نخست مدل کردن عمق برف از طریق روابط معادلههای همبستگی چندگانه با ترکیب خطی عوامل و یا با ترکیب غیرخطی آنها صورت میگیرد
در حالت دوم مدل شدن عمق برف از طریق روشهای زمینآماری انجام می شود
یکی دیگر از راهحلهای تخمین عمق برف در نقاط فاقد آمار مشاهدهای به کار بردن روشهای مبتنی بر ارتباط تغییرات مکانی عمق برف به عوامل توپوگرافی و سایر عوامل مؤثر بر آن میباشد
غیرقابل دسترس بودن ایستگاههای برفسنجی و شرایط بسیار دشوار نمونهبرداری از حوضههای برفگیر سبب شده تا از مدتها پیش محققین به فکر راهکارهای ساده باشند. مدلهای رقومی ارتفاعی از منابع اطلاعاتی بسیار مهم برای مدلسازی هیدرولوژیکی محسوب میشوند که اغلب از طریق نقشههای توپوگرافی به دست میآیند.
در تحقیقات لوپز مورنو و همکاران باهدف اندازهگیری تنوع مکانی عمق و چگالی برف در ماه های فوریه و آوریل 2010 و 2011 در سه منطقه 2-1 کیلومترمربعی با شرایطی متفاوت در درون یک دره مرکزی در پیرینه اسپانیا مشغول به کار شدند. چگالی با عمق برف و خصوصیات مختلف زمین ازجمله ارتفاع، قرار گرفتن در معرض تابش خورشید، زاویه شیب و انحنا زمین موردبررسی قرار گرفتند.
مدل رگرسیون از بین سه مدل رگرسیون خطی، رگرسیون درخت دوتایی و مدلهای تامیم یافته بهتر تشخیص داده شدند و در پیش بینی توزیع مکانی چگالی برف مورداستفاده قرار گرفتند و ارزیابی نمودند که نحوه محاسبه خطا در چگالی محاسبهشده ممکن است که بر آب معادل برف تأثیر بگذارد. تنوع در عمق برف بسیار بیشتر از تنوع در چگالی برف معرفی شد. متوسط چگالی برف در ماه آوریل بسیار بیشتر از ماه فوریه بوده است. ارتباط بین عمق برف و چگالی برف آماری معنیدار است اما بهطورمعمول خیلی بالا نیست.
چانگ و همکاران5 - - 1680 به درونیابی مکانی بافت خاک با استفاده از کریجینگ ترکیبی و رگرسیون کریجینگ با در نظر گرفتن ویژگیهای ترکیبی دادهها و متغیرها محیطزیست در مطالعهای در دشت فنشان واقع در جنوب شرقی شهر پکن پرداختند.
هدف از این مطالعه مقایسه عملکرد روش مکانی پیش بینی بافت خاک با توجه به ویژگیهای دادههای ترکیبی و مغیرهای کمکی بوده است. روشهای مورداستفاده شامل کریجینگ معمولی، رگرسیون کریجینگ و کریجینگ ترکیبی بوده. دقت پیش بینی و اثر مدل با استفاده از روش ترکیبی کریجینگ بهتر جواب دادند به زوری که این روش بهطور مستقیم بر روی بافت خاک درونیابی را انجام داده و پیش بینی حاصل از این روش مطابق با دادهای مشاهدهشده بوده است.
در طی سال های اخیر پژوهشگران در بسیاری از تحقیقات سعی کرده اند الگو و ساختار تغییرات مکانی عمق برف را که از ملزومات پهنهبندی برف به شمار میآید را با تکنیکهای مختلفی مدلسازی کنند همچنین در بسیاری از تحقیقات سعی کردهاند رابطه بین توپوگرافی و برف را بهصورت مدلهای آماری مورداستفاده قرار دهند.
مؤلفههای توپوگرافی بهعنوان متغیرهای توضیحی برای تشریح ناهمگنی مکانی عمق برف، آب معادل برف یا میزان ذوب آن به کار میرود. با توجه به اهمیت فراوان تغییرات عمق برف و برآورد دقیق آن اگرچه تاکنون از روشهای زیادی استفادهشده است اما ضرورت محاسبه دقیقتر آن و همچنین موقعیت استراتژیک منطقه موردمطالعه میطلبد که از روش هایی که از دقت بالاتری برخوردارند و نیز پارامترهایی که تأثیر بیشتری در عمق برف دارند استفاده شود
بنابراین در این تحقیق از روشهای پارامتریک، کاهش ابعاد و همچنین از پارامترهای ژئومورفومتری و تصاویر ماهوارهای بهعنوان ورودیها در برآورد عمق برف بهره گرفته شد و نتایج مقایسه گردید. بنابراین در تحقیق حاضر برخلاف مطالعات گذشته سعی شد از تعداد پارامترهای بیشتری که به نظر می رسد در مدلسازی عمق برف تأثیر داشته باشد و همچنین از مدل رقومی ارتفاع باقدرت تفکیک مکانی بالاتر استفاده گردید تا سعی شود مدلسازی عمق برف با دقت بهتری انجام شود.
-2مواد و روشها
1-2 معرفی منطقه موردمطالعه
چلگرد منطقهای با موقعیت 49° 56' 29" درجه تا 50° 26' 37" طول شرقی و 31° 59' 54" درجه تا 32° 49 ' 5" عرض شمالی و مساحتی بالغبر 3700 کیلومترمربع در استان چهارمحال و بختیاری واقع در غرب کشور ایران است که ازنظر اقلیمشناسی، هیدرولوژی و توپوگرافی یک منطقه منحصربهفرد محسوب میشود. در شکل - 1 - موقعیت این منطقه در ایران و استان قابلمشاهده است.
شکل .1 موقعیت مکانی منطقه موردمطالعه و موقعیت نقاط نمونهبرداری شده
-2-2 روش مطالعه و نمونهبرداری
در این تحقیق بر اساس تکنیک هایپرکیوب، محل 100 نقطه جهت نمونهبرداری در منطقه چلگرد انتخاب شد . این روش، یک طرح تصادفی طبقهبندی شده ای است که بهوسیله آن می توان نمونهبرداری مؤثری به کمک توزیع چند متغیر ایجاد نمود. تکنیک هایپر کیوب یا مربع لاتین شامل نمونهبرداری n مقدار از توزیع تشریح شده هر متغیر میباشد. توزیع تجمعی هر متغیر به n فاصله با احتمال مساوی تقسیم میشود و یک مقدار از هر فاصله بهطور تصادفی انتخاب میشود. سپس، n مقدار بهدستآمده برای هر متغیر با متغیرهای دیگر جفت می شود. این روش یک پوشش کاملی از هر متغیر را ایجاد میکند. علاوه بر این نقاط، تعداد 195 نقطه دیگر نیز بهطور تصادفی از منطقه موردمطالعه جمعآوری شد.
